某水电站疏松砂岩工程地质特性及工程处理

2015-12-17李德群秦玉龙胡剑锋

水利水电工程设计 2015年4期

关键词：坝基渗流砂岩

李德群秦玉龙胡剑锋

某水电站疏松砂岩工程地质特性及工程处理

李德群秦玉龙胡剑锋

某水电站坝基为白垩系疏松砂岩，具孔隙率大、密度低、透水性强、抗渗变能力差、强度低和易扰动破坏等特性，并且存在渗漏及渗透变形等工程地质问题。针对砂岩工程地质特性及对工程的影响进行了总结分析，旨在为类似工程勘察和工程处理措施设计提供借鉴参考。

疏松砂岩强透水弱胶结渗透变形灌浆

1 地质概况

某水电站工程包括土坝、泄水闸、河床式电站厂房等建筑物，最大坝高32.5 m，于2011年建成发电。工程区地质构造变动轻微，地层产状近水平，构造稳定性较好，两岸岩体局部有卸荷裂隙发育。第四纪以来，地表遭受河流侵蚀下切，两岸阶地不发育。

坝基为河湖相白垩系砂岩，大体可分为3层：上部为薄层状，产状以NW290°～350°SW∠7°～21°为主，局部为NE10°～46°NW或SE∠5°～15°，层底高程272～278 m；中部呈厚、中厚层状，岩层倾角多小于15°，层底高程260～266 m；下部多为薄层状，岩层产状以NW315°～345°SW∠21°～27°为主，不整合面产状NE80°SE∠3°。岩体上部、下部薄层砂岩交错层理及不整合面发育，而中部中厚—厚层砂岩层理则不甚发育。坝基砂岩见有少量陡倾角裂隙，裂隙面平直、较光滑，闭合状态，延伸长度在4 m左右，最长约7 m。

2 疏松砂岩基本特征

坝基砂岩呈黄白或灰白色，中细粒结构，粒径多在0.075～0.5 mm，约占82.8%，主要矿物成分为石英，含少量长石、方解石等。砂岩孔隙率 20.08%～33.08%，平均24.77%；天然密度1.95～2.41 g/cm3，平均2.15 g/cm3；单轴抗压强度 1.60～15.38 MPa，平均4.41 MPa；渗透系数为3.00×10-4～2.80×10-3cm/s，平均1.80×10-3cm/s。

砂岩特有的物理、水理性质控制其力学特性。通过上述指标分析判断，坝基砂岩具有孔隙率大、密度小、强度低的特点，属中等透水的软岩—极软岩。同时，根据对砂岩的成岩作用、胶结程度以及对所处环境的分析，揭示出了坝基砂岩的工程地质特性。

（1）砂岩具有随成岩程度增高而密度增大、含水率降低的规律。坝基砂岩的胶结作用微弱，呈半成岩状态，胶结系数在2.09%～2.25%，属于弱—中等胶结，可定义为“疏松砂岩”，属软岩的一种类型。

（2）弱胶结的砂岩浸水后易发生崩解破坏而呈泥状或砂状。坝基砂岩宏观性状疏松，浸水后砂粒脱落现象明显但并未发生整体崩解，且吸水率还略有降低。

（3）经过不同次数干湿循环作用后，砂岩的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力与内摩擦角都有不同程度的降低。各个力学指标的总体变化趋势是在第1次饱水之后有大幅度减低，此后随着干湿循环次数的增加，其降低的幅度逐渐减小。

（4）基坑开挖时，凡渗水处均有明显的乳白色胶体物析出。室内岩块浸水试验中发现，当岩石结构发生破坏且呈松散沙状后，白色絮状胶体析出，胶体含量为1.46%～2.15%，属易絮凝沉淀。观察干燥岩块断面，可见直径小于1.0 mm的白色斑点赋存在砂粒中。

水质分析和矿物鉴定表明，砂岩易溶盐含量低，为0.043 g/kg，水化学类型为-Ca2+；矿物中普遍缺少长石，孔隙内有粒径小于0.074 mm弱结晶的高岭土和分散的石英细粒及微量方解石。由此可见，白色絮状物系斜长石颗粒在弱酸性环境水作用下高岭石化的结果，坝基砂岩在渗流作用下易发生潜蚀，进而导致岩体的渗透破坏。

（5）饱和或潮湿状态下坝基砂岩结构间黏聚力微弱，机械扰动特别是剪切作用下极易造成结构破坏，由岩石变为砂土。工程施工和运行中防止机械扰动（震动）是防止岩体变形破坏的关键性问题。

3 疏松砂岩渗透及渗透变形特性

疏松砂岩具有孔隙率大、密度低、渗透性强、抗渗透变形能力差和易扰动破坏等特性，作为坝基存在渗漏和渗透变形等工程地质问题。

从坝基砂岩的渗透系数看，室内渗透试验和钻孔压水试验成果一致，均属中等透水性岩体。渗透系数和渗透变形试验成果见表1。

表1 坝基砂岩渗透变形试验成果

试验成果表明，坝基砂岩渗透性在垂直层面与平行层面方向差异不明显，但在渗透变形上二者差异显著，垂直层面的临界坡降及破坏坡降是平行层面方向的近2倍，表明岩体沿层面方向更易于发生渗透变形破坏。

从地质条件和试验成果分析，坝基砂岩颗粒组成较为均匀，发生管涌的概率很小，渗透破坏首先是乳白色胶体高岭土析出，导致岩体的结构破坏，有临空面时发生溯源方向的流土破坏。基坑开挖中，边坡渗水形成的孔洞以及排水孔在长时间抽水后沿层面掏蚀形成的渗漏通道等现象，均属溯源流土破坏。加之岩体力学强度低、抗冲刷能力差，特别是沿层面极易发生冲刷破坏。因此，有必要采取渗流控制措施降低岩体渗透坡降，减少坝基渗漏量，防止坝基发生渗透变形。

4 岩体灌浆效果分析

4.1 灌浆试验成果分析

针对坝基砂岩可能采取的渗流控制措施，选择了现场灌浆试验，以确定工程措施的适宜性。灌后岩体透水率和声波波速检查成果见表2。由试验得到如下结论：

表2 灌浆试验效果检查成果表

（1）从灌浆前后的岩体质量检测结果看，Ⅳ序灌浆之后岩体的透水率降低了14%，岩体波速提高了2%～3%。表明灌浆虽对岩体质量的提高有一定作用但不甚显著。究其原因：首先是岩体中破裂结构面不发育，这是导致可灌性较差的主要原因；其次，坝基砂岩属密实的粉细砂孔隙结构，岩体透水性主要受孔隙率控制，连通性差，采用普通水泥灌浆，岩体透水但不吸浆，浆液在孔隙中扩散范围有限，整体上难以形成完整连续的有效防渗体，这为论证设置防渗帷幕的必要性和可靠性提供了依据。

（2）经过Ⅰ序孔灌浆，Ⅱ序孔的单位注浆量明显减小。虽然Ⅱ序次以后单位注入量没有明显递减的趋势，但声波速度有所提高，说明灌浆对施工扰动裂隙、卸荷层面、混凝土与基岩的接触面等起到一定的固结作用，在强化浅部岩体完整性的同时，也有利于提高被扰动岩体抵抗渗透变形的能力。

（3）灌浆孔距以接近Ⅱ序次孔距较为合适，过密的孔距（如Ⅲ、Ⅳ序）单位注浆量没有降低，岩体波速值也没有显著提高，而且还可能对坝基岩体的完整性造成破坏。

4.2 施工灌浆效果分析

固结灌浆施工中，根据灌浆试验成果对施工参数进行了优化调整，采用了孔距、排距均为2.5 m的等腰三角形布置方式，排与排之间钻孔互相交错，孔深为建基面以下3 m。

从施工检测结果看，灌后岩体声波速度有 6.70%～31.50%的提高，岩体透水率也相应降低，说明固结灌浆设计方案是合理的，提高了建基岩体的整体性和抗渗透变形能力。考虑到灌浆段岩体普遍位于地下水位以下以及不同灌浆压力下地表抬动观测情况，设计的灌浆起始压力不小于0.2 MPa，最大压力不超过0.6 MPa的灌浆参数也是合适的。